Структурные схемы радиоприемников

Структурные схемы радиоприемных устройств различаются пре­жде всего построением цепей высокой частоты.

Наиболее простым является принцип построения приемника пря­мого детектирования (детекторного), структурная схема которого представлена на рис. 3.4. Входная цепь (ВЦ) в виде резонансной системы или фильтра обеспечивает частотную избирательность радиоприемного устройства, настройка на частоту принимаемого сигнала осуществляется перестройкой или переключением ВЦ. Принципиальным является отсутствие усиления сигнала до детек­тора (Д), ведущее к значительному упрощению устройства приемни­ка, но одновременно обусловливающее его низкую чувствитель­ность и избирательность. Указанные недостатки такой схемы не устраняются наличием усилителя частоты модуляции (УЧМ). Вследствие этого в настоящее время радиоприемные устройства прямого детектирования применяются практически лишь в милли­метровом, децимиллиметровом и оптическом диапазонах волн.

Структурная схема приемника прямого усиления представлена на рис. 3.5 [3]. От описанного выше этот приемник отличается нали­чием усилителя радиочастоты (УРЧ) и, как следствие, значительно большими чувствительностью и избирательностью. Входная цепь и избирательные цепи УРЧ настроены на частоту принимаемого ра­диосигнала, на которой и осуществляется усиление, причем ВЦ обеспечивает предварительную, а УРЧ основную частотную изби­рательность и значительное (до 10⁶... 10⁷ по напряжению) усиление сигнала.

Рис. 3.4. Структурная схема приемника прямого детектирования

Рис. 3.5. Структурная схема приемника прямого усиления

При необходимости получения большого усиления УРЧ может содержать несколько каскадов, что сопряжено со снижением его устойчивости и общей избирательности приемника, затрудняет тех­ническую реализацию перестройки по частоте. Трудности, связан­ные с многокаскадностью УРЧ, позволяют устранить использование регенеративных и сверхрегенеративных усилителей, обеспечиваю­щих большее усиление на каскад. Однако такие усилители облада­ют повышенными искажениями, относительно низкой устойчиво­стью по отношению к дестабилизирующим факторам, повышенной вероятностью паразитного излучения. По этой причине они применя­ются редко, в частности, в портативных приемниках СВЧ диапазона. При любых типах используемых УРЧ полностью преодолеть прису­щие схеме прямого усиления недостатки не удается. Поэтому в на­стоящее время радиоприемные устройства прямого усиления приме­няются практически лишь в микроволновом и оптическом диапазонах.

Значительное улучшение большинства показателей радиоприем­ного устройства достигается на основе принципа преобразования частот принимаемого сигнала - переноса его в частотную область, где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Самое широкое распространение во всех радиодиапазонах получила по­строенная на этом принципе схема супергетеродинного приемника (рис. 3.6) [3]. В таком приемнике сигналы частоты f_c преобразуются в преобразователе частоты, состоящем из смесителя (См) и генерато­ра вспомогательных колебаний - гетеродина (Г), в колебания фикси­рованной, так называемой промежуточной частоты f_пр, на которой осуществляются основное усиление и частотная избирательность. Смеситель содержит нелинейный элемент или элемент с перемен­ным параметром, поэтому в результате воздействия принятого сиг­нала и колебаний гетеродина с частотой f_г на его выходе возникают колебания с комбинационными частотами f=|mf_г±nf_c|, где т, п- це­лые числа. Одна из этих комбинационных составляющих выделяется фильтром (резонансной системой) на выходе смесителя и использу­ется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала, усили­ваемого затем усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Обычно используется наиболее интенсивная комбинационная составляющая с т = 1, п = 1, т.е. простое преобразование, но иногда и с m≠1, n=1 (сложное или комбинационное преобразование). При этом можно ис­пользовать как разность частот f_г и f_с (разностное преобразование), так и их сумму (суммарное преобразование). При наиболее широко применяемом простом разностном преобразовании обычно f_пр= f_г - f_с («верхняя» настройка гетеродина), но возможна и «нижняя» настрой­ка с f_пр= f_с – f_г. В обоих случаях f_г выбирается так, чтобы f_пр была ниже границы диапазона рабочих частот (f_пр < f_{c min}).

Рис. 3.6. Структурная схема супергетеродинного приемника

Для того чтобы f_пр оставалась постоянной при перестройке приемника в некотором диапазоне частот (f_{c min}…f_{c max}) осуществляется сопряженная перестройка ВЦ, резонансных цепей УРЧ и гетеродина. Поскольку сигнал несет в себе полезную информацию, которая в процессе преобразования должна сохраняться, преобразователь частоты должен быть линейным по отношению к сигналу, несмотря на принципиально нелинейный характер происходящих в нем процессов. Следовательно, при преобразовании частоты происходит перенос спектра сигнала в область промежуточной частоты без нарушения амплитудных и фазовых соотношений его составляющих.

Поскольку радиочастотные цепи обладают в большинстве случаев относительно широкой полосой пропускания, они обеспечивают лишь предварительную частотную избирательность (селекцию), вследствие чего ВЦ и УРЧ называют преселектором. Основная же избирательность приемника реализуется в тракте промежуточной частоты.

Чем выше частота принимаемого сигнала, тем сложнее в принципе достигнуть устойчивого малошумящего усиления в УРЧ. Поэтому в диапазонах сантиметровых и особенно миллиметровых и оптических волн радиоприемники чаще всего не имеют УРЧ, при этом функция предварительной избирательности ложится полностью на ВЦ, а к характеристикам преобразователя частоты, в частности шумовым, предъявляются повышенные требования.

Перенос сигнала на более низкую фиксированную частоту имеет следующие преимущества:

- возможность реализации высокого устойчивого усиления за счет ослабления роли паразитных обратных связей;

- сужения полосы пропускания без усложнения фильтрующих (резонансных) цепей;

- упрощение реализации УПЧ вследствие отсутствия необходимости перестройки.

Однако преобразование частоты обусловливает и ряд особенностей супергетеродинного приема, требующих принятия специальных мер для нейтрализации их отрицательного влияния на показатели и характеристики радиоприемных устройств. К таким особенностям относят:

- образование побочных каналов приема, по которым в тракт радиоприемника проникают различные помехи;

- влияние нестабильности частоты гетеродина на настройку приемника;

- возможность излучения колебаний гетеродина через приемную антенну.

При высоких требованиях к избирательности по побочным каналам приема приходится применять двух- или трехкратное последовательное преобразование частоты, понижая ее до основной промежуточной, на которой и достигаются обычно необходимая избирательность по соседнему каналу и усиление.

Как при суммарном, так и при разностном преобразовании, возможно, такое преобразование частоты, когда f_пр > f_{c max}. Такой супер-гетеродинный приемник называется инфрадином и отличается тем, что при его работе в диапазоне частот перестраивается только гетеродин, а преселектор может либо не перестраиваться вообще (широкополосные преселекторы), либо перестраиваться переключением входных фильтров (фильтровые преселекторы) [3]. Высокую промежуточную частоту приходится затем понижать с помощью другого преобразователя. Достоинствами инфрадина являются возможность значительного подавления побочных каналов за счет высокой избирательности более сложных и совершенных непере-страиваемых ВЦ, а также упрощение настройки. Недостатки - опасность перегрузки усилительных элементов широкополосных входных каскадов посторонними мешающими сигналами и повышение требования к стабильности частоты высокочастотного гетеродина. Применяются инфрадины в системах подвижной связи и в других системах с беспоисковой настройкой приемника.

Рассмотрим более подробно основные особенности супергетеродинной схемы построения радиоприемных устройств, являющейся наиболее совершенной и распространенной в настоящее время. Многие из этих особенностей обусловлены образованием ложных сигналов, называемых соседними и побочными каналами приема, по которым в тракт радиоприемного устройства проникают различные помехи с частотами f_п. Основной канал приема образуется полосой пропускания приемника, в какой находится спектр сигнала. Соседний канал приема - это канал на частоте f_ск, примыкающий к основному каналу на частоте f_с. Вследствие недостаточной избирательности приема он не отфильтровывается преселектором и об­разует в преобразователе частоты сигнал с ,по­падающий в полосу пропускания УПЧ и поэтому усиливаемый и обрабатываемый наравне с полезным сигналом. Основная мера борьбы с помехами по соседнему каналу - повышение избира­тельности УПЧ.

Общую формулу для частот всех побочных каналов приема можно в принятых ранее обозначениях записать в виде f_пр = (mf_г ± f_пр)/n, где знак «плюс» соответствует «нижней» на­стройке гетеродина, знак «минус» - «верхней».

Зеркальный, или симметричный канал образуется внешней по­мехой на частоте f_п= f_зк = f_г + f_пр=f_c+ 2f_np (m=1,n=1) при «верх­ней» настройке или f_п= f_зк = f_г - f_пр=f_c - 2f_np - при «нижней». Если эта частота попадает в полосу пропускания преселектора, то в пре­образователе частоты появляется составляющая с частотой |f_зк-f_г|=f_пр, т.е. такой же, какую образует полезный сигнал. В ре­зультате происходит наложение спектров полезного сигнала и по­мехи, и их частотная фильтрация становится невозможной. Для ос­лабления помех по зеркальному каналу необходимо повышать час­тотную избирательность преселектора. Увеличение f_пр позволяет лучше отфильтровать в преселекторе эту составляющую, отстоя­щую от частоты полезного сигнала на 2f_пр, но при этом затрудняет­ся обеспечение высокой избирательности УПЧ с полосой пропуска­ния, сопряженной с шириной спектра полезного сигнала. Если тре­бования к ослаблению помех по соседнему и зеркальному каналам очень жесткие, применяются два-три последовательных преобразо­вателя частоты.

Прямой канал приема, или канал промежуточной частоты обра­зуется, когда помеха имеет частоту f_п =f_пр (m= 0, n=1) и без преоб­разования в преобразователе частоты проходит в тракт УПЧ. Ос­новные меры борьбы - включение в ВЦ режекторного фильтра (фильтра-пробки) на частоту f_пр и повышение избирательности пре­селектора.

Частоты, близкие к f_пр, могут образовываться также в результате преобразования помех на гармониках гетеродина (m=2, 3, ...; n= 1; виде f_п = (mf_г ± f_пр), на своих гармониках с участием гетеродина (m = 1; n = 2, 3, ... ; виде f_п = (f_г ± f_пр)/n), на комбинационных частотах (m = 2, 3, ...; n = 2, 3, ...). Основными мерами по ослаблению этих побочных ка­налов приема являются снижение уровня гармоник гетеродина, по­вышение линейности преселектора, выбор соответствующего ре­жима работы смесителя.

Контрольные вопросы:

3.1. Приведите обобщенную структурную схему радиоприемного устройства.

3.2. Как можно классифицировать радиоприемные устройства?

3.3. Дайте определение основным показателям радиоприемных устройств.

3.4. Изобразите структурные схемы различных вариантов построения радиоприемных устройств.

3.5. Произведите сравнительную оценку приемника прямого усиления и супергетеродинного приемника.

3.6. Каким образом возникает «зеркальная» помеха и как можно ее уменьшить?

3.7. Какие меры следует принимать для повышения реальной чувствительности радиоприемника?